In einer neuen Ära der weit verbreiteten Erforschung der Dunklen Materie gerät die umstrittene Idee ihrer Konzentration in dünne Scheiben aus der wissenschaftlichen Vergessenheit
1932 zählte der niederländische Astronom Jan Oort Sterne in der Milchstraße und stellte fest, dass sie fehlten. Basierend auf der Tatsache, dass Sterne, die sich in einem Kreis in der Ebene der Galaxie bewegen, wie Pferde auf einem Karussell auf und ab springen, berechnete Oort, dass die Materie, die einen Gravitationseffekt auf sie ausübt und sie in Bewegung setzt, doppelt so groß sein sollte, wie er sah … Oort postulierte, dass der Mangel durch versteckte "dunkle Materie" ausgeglichen wird, und schlug vor, dass er sich in der Scheibe konzentriert, was die Bewegung der Sterne erklärt.
Die Entdeckung der Dunklen Materie, wie unsichtbare und unbestimmte Materie genannt wird, die fünf Sechstel der Masse des Universums ausmacht, wird jedoch gewöhnlich dem schweizerisch-amerikanischen Astronomen Fritz Zwicky zugeschrieben, der ihre Existenz 1933 aus den gegenseitigen Bewegungen von Galaxien ableitete. Oort war nicht bekannt, weil er auf dem falschen Weg war. Bis zum Jahr 2000 stellten die Autoren neuer Studien zur Milchstraße unter Verwendung der Oort-Methode fest, dass die "fehlende" Masse in schwachen Sternen, Gas und Staub enthalten war und die Notwendigkeit einer dunklen Scheibe nicht mehr erforderlich war. Hinweise von vor 80 Jahren deuten darauf hin, dass dunkle Materie, was auch immer sie ist, kugelförmige Wolken um Galaxien bildet, die "Halos" genannt werden.
Zumindest sagen das die meisten Jäger der Dunklen Materie. Obwohl das Konzept der dunklen Scheibe an Popularität verloren hat, wurde es nie ganz aufgegeben. In jüngerer Zeit hat diese Idee einen großen Fan von Lisa Randall gefunden, einer Physikprofessorin an der Harvard University, die die Scheibentheorie aus der wissenschaftlichen Vergessenheit gerissen und in das Zentrum der galaktischen Szene gerückt hat.
Nachdem Randall und Kollegen ihr Modell 2013 vorgeschlagen hatten, haben sie seitdem argumentiert, dass die dunkle Scheibe Gammastrahlen vom galaktischen Zentrum, die flache Verteilung von Zwerggalaxien im Orbit um den Andromeda-Nebel und die Milchstraße und sogar periodische Kometenstürze und Massensterben erklären könnte. Arten auf der Erde. Sie schrieb darüber in ihrem populärwissenschaftlichen Buch Dark Matter and the Dinosaurs, das 2015 veröffentlicht wurde.
Astrophysiker, die die Milchstraße inventarisieren, haben jedoch protestiert und argumentiert, dass die Gesamtmasse der Galaxie und die Sprünge ihrer Sterne zu gut übereinstimmen und keinen Platz für eine dunkle Scheibe lassen. "Es ist viel enger als Lisa Randall denkt", sagt Jo Bovy, Astrophysiker an der Universität von Toronto.
Jetzt schlägt Randall zurück, der eine Reihe großer Ideen zu kritischen Fragen der Grundlagenphysik entwickelt hat. Randall und ihr Schüler Eric Kramer fanden in einem Artikel, der letzte Woche online gestellt und zur Veröffentlichung im Astrophysical Journal angenommen wurde, eine scheibenförmige Lücke in ihrer Analyse der Milchstraße: „Es gibt ein wichtiges Detail, das wir noch haben habe noch nicht aufgepasst, schreiben sie. "Die Disc kann Platz für sich selbst schaffen."
Wenn eine dunkle Scheibe die „Mittelebene“der Galaxie passiert, argumentieren Randall und Kramer, zieht die Schwerkraft den Rest der Materie nach innen, was zu einer Zunahme der Dichte von Sternen, Gas und Staub in der Mittelebene führt. Wissenschaftler berechnen normalerweise die scheinbare Gesamtmasse der Milchstraße durch Extrapolation nach außen basierend auf der Dichte der Mittelebene. Wenn es einen einschränkenden Effekt gibt, führt diese Extrapolation zu einer Übertreibung der scheinbaren Masse, und dann besteht das Gefühl, dass die Masse der Bewegung der Sterne entspricht. Aus diesem Grund haben die Autoren früherer Studien keine Hinweise auf eine dunkle Scheibe gesehen, sagt Kramer. Zusammen mit Randall glauben sie, dass eine dünne dunkle Scheibe möglich ist und dass ihre Anwesenheit in gewisser Weise ihrer Abwesenheit vorzuziehen ist.
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"Die Arbeit von Lisa hat dieses Geschäft wiederbelebt", sagt Chris Flynn von der Swinburne University of Technology in Melbourne, Australien. Zusammen mit Johan Holmberg (Johan Holmberg) führte er Anfang der 2000er Jahre mehrere "Inventare" der Milchstraße durch, die alle Möglichkeiten für die Existenz einer dunklen Scheibe völlig zu zerstören schienen.
Bowie ist anderer Meinung. Selbst wenn wir den einschränkenden Effekt berücksichtigen, können sich nach seiner Schätzung nicht mehr als 2% der Gesamtmenge an dunkler Materie in der dunklen Scheibe befinden, während der Rest der Materie einen Lichthof bilden sollte. "Ich denke, die meisten Menschen wollen herausfinden, was 98% der dunklen Materie sind, nicht 2%", sagt er.
Diese Debatte könnte ebenso wie das Schicksal der dunklen Scheibe bald gelöst werden. Der Gaia-Satellit der Europäischen Weltraumorganisation teleskopiert derzeit die Positionen und Geschwindigkeiten von einer Milliarde Sternen, und ein endgültiges Register der Milchstraße könnte bis Ende nächsten Sommers fertiggestellt sein.
Junger Galaxienhaufen Abell 2151 im Sternbild Herkules
ESO / INAF-VST / OmegaCAM / A. Fujii / Digitalisierte Himmelsvermessung 2
Das Öffnen einer dunklen Scheibe jeder Größe wäre äußerst aufschlussreich. Wenn es existiert, wird sich dunkle Materie als viel komplexer herausstellen, als Wissenschaftler lange geglaubt haben. Materie nimmt nur dann eine Scheibenform an, wenn sie Energie emittieren kann, und der beste Weg, genug Energie zu emittieren, besteht darin, Atome zu bilden. Die Existenz dunkler Atome würde bedeuten, dass dunkle Protonen und dunkle Elektronen, die wie sichtbare Protonen und Elektronen geladen sind, durch die von dunklen Photonen übertragene dunkle Kraft miteinander interagieren. Selbst wenn 98% der dunklen Materie inert sind und einen Lichthof bilden, würde das Vorhandensein der dünnsten dunklen Scheibe das Vorhandensein eines "dunklen Sektors" unbekannter Teilchen bedeuten, der so vielfältig ist wie das sichtbare Universum.
„Gewöhnliche Angelegenheit ist ziemlich komplex; Es gibt Materie, die in Atomen eine Rolle spielt, und es gibt Materie, die keine Rolle spielt, sagt der Astrophysiker an der University of California in Irvine, James Bullock. "Daher wäre es nicht verrückt, sich vorzustellen, dass die anderen fünf Sechstel der Materie im Universum ebenfalls ziemlich komplex sind und dass es einen bestimmten Teil dieses dunklen Sektors gibt, der in Form gebundener Atome existiert."
Das Konzept der Komplexität der Dunklen Materie hat in letzter Zeit immer mehr Befürworter gefunden, unterstützt durch astrophysikalische Anomalien, die nicht wirklich zur Vorstellung passen, dass Dunkle Materie passive, langsame und "schwach wechselwirkende massive Teilchen" sind. Diese Anomalien sowie die Tatsache, dass im Verlauf detaillierter Experimente in verschiedenen Ländern der Welt niemals so schwere, schwach wechselwirkende Partikel (WIMPs) entdeckt wurden, schwächten diese Theorie und markierten den Beginn einer neuen Ära, in der jeder spekulieren kann, dass dies der Fall ist für solch ein Tier - dunkle Materie.
Diese Ära kam irgendwann im Jahr 2008, als die Teilnehmer des PAMELA-Experiments einen Überschuss an Positronen aus dem Weltraum entdeckten (im Vergleich zu Elektronen). Diese Asymmetrie hat das Interesse an dem mittlerweile beliebten Modell der "asymmetrischen dunklen Materie" geweckt, das von Kathryn Zurek und ihren Kollegen vorgeschlagen wurde. Zu dieser Zeit waren nur wenige Ideen im Umlauf, außer dem Konzept der Weicheier. „Es gab Modellbauer wie mich, die verstanden haben, dass die Idee der Dunklen Materie in dieser Richtung völlig unterentwickelt ist“, sagt Tsurek, der jetzt im Nationalen Labor arbeitet. Lawrence Berkeley in Kalifornien. "Also sind wir kopfüber in diese Arbeit eingetaucht."
Die Dichte der Zwerggalaxien war ein weiterer Anreiz. Wenn Wissenschaftler versuchen, ihre Entstehung zu simulieren, sind Zwerggalaxien in ihren Zentren in der Regel zu dicht, es sei denn, Wissenschaftler gehen davon aus, dass Teilchen der dunklen Materie mithilfe dunkler Kräfte miteinander interagieren können. Wenn wir hier jedoch eine zu starke Wechselwirkung hinzufügen, zerstören wir die Modelle der Strukturbildung im frühen Universum.
„Wir versuchen herauszufinden, was toleriert werden kann“, sagt Bullock, der auch diese Modelle entwirft. Die meisten Modellierer lassen schwache Wechselwirkungen zu, die die Form des Halos der dunklen Materie nicht beeinflussen. "Aber was bemerkenswert ist, ist, dass es eine Klasse dunkler Materie gibt, mit der sich Scheiben bilden können", sagt Bullock. In diesem Fall interagiert nur ein winziger Teil der Partikel der dunklen Materie, aber sie interagieren stark genug, um Energie abzuleiten und dann Scheiben zu bilden.
Randall und ihre Kollegen JiJi Fan, Andrey Katz und Matthew Reece kamen 2013 auf diese Idee, genau wie Oort. Sie versuchten die offensichtliche Anomalie der Milchstraße zu erklären. Die sogenannte Fermi-Linie ist ein Überschuss an Gammastrahlen einer bestimmten Frequenz, die vom galaktischen Zentrum kommen. "Gewöhnliche dunkle Materie konnte nicht genug zerstören, um die Fermi-Linie zu produzieren", sagt Randall, "und so dachten wir, was ist, wenn sie viel dichter ist?" So bekam die dunkle Scheibe ein zweites Leben. Die Fermi-Linie verschwand, als mehr Daten auftauchten, aber die Festplattenidee war es immer noch wert, untersucht zu werden. Im Jahr 2014 schlugen Randall und Rees vor, dass genau aufgrund der Scheibe zwischen der zunehmenden Aktivität von Kometen und Meteoren Intervalle von 30 bis 35 Millionen Jahren liegen.was einige Wissenschaftler mit periodischen Massensterben assoziieren. Jedes Mal, wenn das Sonnensystem auf dem Karussell der Milchstraße auf und ab springt, könnte der Gravitationseffekt der Scheibe Asteroiden und Kometen in der Oort-Wolke destabilisieren, eine Müllkippe am Rande unseres Sonnensystems, benannt nach einem Astronomen aus Holland. Diese Objekte fliegen in Richtung des inneren Teils des Sonnensystems und einige fallen auf die Erde.
Aber Randall und ihr Team machten nur eine flüchtige und wie sich herausstellte, falsche Analyse, wie viel Platz in der Gesamtmasse der Milchstraße für die dunkle Scheibe übrig bleibt, gemessen an der Bewegung der Sterne. "Sie machten einige empörende Aussagen", sagte Bovey.
Randall, bekannt unter ihren Kollegen für ihre Hartnäckigkeit (laut Rees), brachte Kramer in den Fall, um auf Kritik zu reagieren und "alle Falten auszubügeln", bevor Gaias Daten verfügbar wurden. Eine neue Analyse ergab, dass eine dunkle Scheibe nicht mehr so dicht sein konnte, wie ihr Team ursprünglich angenommen hatte. Aufgrund der einschränkenden Wirkung und der zusätzlichen Unsicherheit, die durch die beobachtete reine Drift der Sterne in der Milchstraße verursacht wurde, war jedoch noch Platz für eine dünne dunkle Scheibe.
Chris McKee und Kollegen von der University of California in Berkeley haben ein neues Problem identifiziert, über das sie im Astrophysical Journal geschrieben haben. McKee glaubt, dass eine dünne, dunkle Scheibe immer noch in den Massenspeicher der Milchstraße eindringen könnte. Diese Scheibe kann jedoch so dünn sein, dass sie einfach zusammenfällt. Unter Berufung auf Forschungen aus den 1960er und 1970er Jahren schreiben McKee und seine Kollegen, dass die Scheiben nicht viel dünner sein können als die Scheibe aus sichtbarem Gas in der Milchstraße, da sie einstürzen würden. "Vielleicht hat dunkle Materie Eigenschaften, die sich von den Eigenschaften gewöhnlicher Materie unterscheiden und dies verhindern, aber ich weiß nicht, was es sein könnte", sagte McKee.
Randall hat diesen jüngsten Angriff noch nicht abgewehrt und nennt ihn "eine knifflige Frage, die derzeit untersucht wird". Sie stimmte auch der von Bowie geäußerten Ansicht zu, dass die Scheibe geladener dunkler Atome im Vergleich zur Natur von 98% der dunklen Materie unbedeutend ist. Sie untersucht nun die Möglichkeit, dass alle dunkle Materie mit einer einzigen dunklen Kraft aufgeladen werden kann, aber aufgrund des Überschusses an dunklen Protonen gegenüber dunklen Elektronen wird nur ein winziger Bruchteil in Atome gebunden und in die Scheibe ausgeführt. In diesem Fall müssen die Scheibe und der Heiligenschein aus denselben Elementen bestehen, "was wirtschaftlicher wäre", sagt sie. "Wir dachten, es könnte ausgeschlossen werden, aber es hat nicht funktioniert."
Bisher lebt die dunkle Scheibe weiter - als Symbol für alles, was über die dunkle Seite des Universums unbekannt ist. „Ich finde es in diesem Bereich sehr, sehr hilfreich, dass unterschiedliche Menschen unterschiedliche Ideen betrachten“, sagt Bullock. "Weil wir keine Ahnung haben, was es ist - dunkle Materie, und wir müssen auf eine Vielzahl von Optionen vorbereitet sein."